專利名稱：采用具有至少5mm 的邊緣厚度的ZnS 透鏡的激光聚焦頭和激光切割裝置以及使用這樣的 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)激光器中使用的特定光學(xué)配置，更具體地說，涉及用于控制焦點(diǎn)漂移以及聚焦頭的光學(xué)部件的激光損壞問題的光纖激光切割頭并且涉及裝配了這樣的聚焦頭的激光裝置，更具體地說是鐿摻雜的光纖激光器裝置。
背景技術(shù)：
不同于如Nd:YAG激光器的固態(tài)激光器，新一代固態(tài)激光器，如光纖或盤形激光器，受益于具有極佳品質(zhì)因數(shù)或BPP (光參數(shù)乘積)的幾kW級(jí)功率的發(fā)展和組合。除了這些激光器憑借的適合用于切割金屬材料的特性外，在此情況下，其具有比 CO2激光器(10. 6 μ m)的波長(zhǎng)更短的波長(zhǎng)(1. 07 μ m)，能夠更好的被金屬吸收并且被光纖傳輸，具有更小的總尺寸和更高的可靠性，其高亮度明顯的提高了切割金屬或非金屬材料的性能。典型地，光纖激光器切割裝置包括激光源和用于傳輸激光光束到達(dá)切割頭的光學(xué)器件，切割頭又稱作聚焦頭，其將光束聚焦到要切割部件的厚度中。激光源是鐿( )摻雜光纖激光器，裝配了至少一個(gè)光束輸送光纖，并且切割頭包括光學(xué)準(zhǔn)直、重新導(dǎo)引和聚焦裝置以用于將聚焦的激光束傳導(dǎo)到要切割的部分。激光切割頭的如聚焦透鏡的光學(xué)器件必須耐受高表面功率密度，功率密度依賴激光源的特性和光學(xué)部件上的光束的直徑而典型地在1和10kW/Cm2之間，并且在損壞它們的污染的環(huán)境中操作時(shí)可以維持該耐受。在連續(xù)發(fā)射激光模式中，光學(xué)部件的損壞一般地表現(xiàn)為光學(xué)部件性能的逐漸劣化，最初沒有可見的損壞，劣化本質(zhì)上來源于熱現(xiàn)象。具體地，光學(xué)部件的表面涂層和基板的殘余吸收導(dǎo)致光學(xué)部件的非均勻加熱并且產(chǎn)生熱應(yīng)力，特別在諸如透鏡的傳輸部件的情況下。這些機(jī)制影響激光光束的參數(shù)和質(zhì)量并且在長(zhǎng)期輻射之后，可能引起光學(xué)部件劣化出現(xiàn)燒痕，涂層分層等。切割頭光學(xué)部件的加熱還會(huì)引起光束焦點(diǎn)因熱致透鏡效應(yīng)(thermal Iensing effect)而導(dǎo)致DF漂移，又稱為焦點(diǎn)漂移，如圖1所示。當(dāng)透鏡1被暴光時(shí)，其中心處被沿光軸(AO)傳輸?shù)母吖β蕼?zhǔn)直光束2加熱，然而其邊緣是較冷的。在透鏡1中產(chǎn)生徑向熱梯度。透鏡1接收的功率密度越高此梯度的量級(jí)越大。此熱梯度在材料中產(chǎn)生折射系數(shù)的梯度。結(jié)合透鏡1的材料的熱膨脹效應(yīng)，此現(xiàn)象改變了透鏡的有效曲率半徑并且改變了其聚焦特性。位于與透鏡相距F處的光束的初始焦平面(PFI)沿光束的傳播方向移動(dòng)，變?yōu)楦拷劢雇哥R1的距離F’，直到其到達(dá)移位的焦平面(PFD)。然后初始聚焦的光束(FFI) 傳入到具有低切割特征的移位的焦平面(PFD)。環(huán)境對(duì)光學(xué)部件的表面污染，S卩，灰塵，金屬濺污或潮期以及其老化是增加透鏡的吸收和加熱逐漸惡化的因素，導(dǎo)致焦距漂移程度隨時(shí)間增加?，F(xiàn)在，從切割速度，切割質(zhì)量-即筆直性，光滑度和無毛刺切割面-以及對(duì)工藝操作參數(shù)的容差等方面評(píng)估工業(yè)激光切割工藝的性能特性。光纖激光器切割工藝對(duì)光束的焦點(diǎn)相對(duì)于被處理部分的表面的位置變化很敏感， 更具體地說，在切割很厚的板材，即具有4mm或更大的厚度的板時(shí)。焦點(diǎn)位置容許的容差通常為士0. 5mm。如果激光光束的焦點(diǎn)位置的變化超出了容許容差，則其不能保持最佳切割性能。因此，一種解決方法是尋找新的切割參數(shù)以補(bǔ)償焦點(diǎn)漂移，或者更換光學(xué)部件的聚焦頭。作為結(jié)果，工業(yè)自動(dòng)化工藝的生產(chǎn)率下降。當(dāng)焦點(diǎn)位置在切割操作期間改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致從一個(gè)部分到另一個(gè)部分或者甚至是相同部分的一個(gè)面到另一個(gè)面的切割性能不同，因而會(huì)出現(xiàn)一個(gè)嚴(yán)重問題。上述現(xiàn)象顯示，切割工藝的性能的持久性強(qiáng)烈依賴于用于傳播激光光束的光學(xué)器件的阻抗。因?yàn)榻裹c(diǎn)位置是光纖激光器切割工藝的重要參數(shù)，光束的焦點(diǎn)位置必須盡可能穩(wěn)定并且其任何漂移都應(yīng)該保持在容許容差之內(nèi)。在高功率下光學(xué)元件經(jīng)受的熱變形必須最小化以防止它們被破壞。在選擇構(gòu)成激光切割頭的聚焦系統(tǒng)的光學(xué)部件時(shí)，必須考慮到所有這些要求。出現(xiàn)的問題是切割使用的高亮度激光光束的傳輸很困難。獲得的激光的功率水平不斷提高，但是光學(xué)器件的阻礙限制了可以用于切割的功率水平。這是因?yàn)楦吡凉馐奶卣魇瞧渑c極佳品質(zhì)因子的結(jié)合的高功率水平，g卩，低BPP值，例如約0. 33mm. mrad。這導(dǎo)致聚焦頭的光學(xué)部件表面上的極高的功率密度以及熱梯度和變形的增加。同樣還發(fā)現(xiàn)，光學(xué)材料抵抗激光損壞的能力在高亮度激光下比在常規(guī)(X)2激光下差，因?yàn)榍耙患す獾牟ㄩL(zhǎng)更短， 對(duì)存在于基板和光學(xué)元件的表面涂層中的缺陷更敏感，會(huì)引起局部過度升溫。因此要解決的問題是能夠控制使用固態(tài)激光器裝置時(shí)發(fā)生的前述焦點(diǎn)漂移和光學(xué)部件損壞的困難，更具體地，是在使用光纖激光器，特別是鐿摻雜光纖激光器時(shí)，以便特別地在使用高功率激光切割工藝(即具有至少IkW的功率的工藝)時(shí)確保切割性能的持續(xù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的解決方案是一種激光光束聚焦頭，包括準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡，其特征在于，準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡由ZnS構(gòu)成并且具有至少5mm的邊緣厚度；以及偏轉(zhuǎn)鏡，以在 40和50°之間的入射角(α)操作，被設(shè)置在所述聚焦頭中的激光光束的路徑中，并在準(zhǔn)直透鏡和所述聚焦透鏡之間。視情況，本發(fā)明的聚焦頭可以具有一個(gè)或多個(gè)下述特征準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡具有在5和IOmm之間，優(yōu)選在6和8mm之間的邊緣厚度；準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡具有在35和55mm之間的直徑；并且偏轉(zhuǎn)鏡由硅石(silica)構(gòu)成。本發(fā)明還涉及激光切割單元，該單元包括固態(tài)激光裝置，以在1.06和1. 1(^111之間的波長(zhǎng)和在0.1和251^之間的功率發(fā)
射激光光束，根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的聚焦頭，以及輸送光纖，將固態(tài)激光裝置連接到聚焦頭以便將固態(tài)激光裝置發(fā)射的激光光束輸送到聚焦頭。視情況，本發(fā)明的裝置可以具有一個(gè)或多個(gè)下述特征固態(tài)激光器器件為光纖激光器類型，優(yōu)選鐿摻雜的光纖激光器；固態(tài)激光器器件以連續(xù)，半連續(xù)或脈沖模式發(fā)射功率在1和5KW之間的激光光束， 優(yōu)選連續(xù)模式；輸送光纖具有不超過150 μ m的直徑，優(yōu)選50 μ m或100 μ m的直徑；
固態(tài)激光器器件發(fā)射BPP在1. 6和4mm. mrad之間的激光光束；輸送光纖具有50 μ m的直徑和在1. 6和2. 2mm. mrad之間的BPP并且準(zhǔn)直透鏡具有在70和120mm之間的焦距并且聚焦透鏡具有在200和450mm之間的焦距。更精確地，在輸送光纖具有50 μ m的直徑，其BPP在1. 6和2. 2mm. mrad之間的情況下，準(zhǔn)直透鏡的焦距在70和120mm之間優(yōu)選在70和90mm之間。為了切割厚度嚴(yán)格小于IOmm的材料，聚焦透鏡的焦距有利地在200和300mm之間，優(yōu)選在220和^Omm之間，然而為了切割厚度為IOmm 或更大的材料，聚焦透鏡的焦距有利地在350和450mm之間，優(yōu)選在380和420mm之間。輸送光纖(FDC)具有100 μ m的直徑和在2. 6和4mm. mrad之間的BPP并且準(zhǔn)直透鏡具有在130和180mm之間的焦距并且聚焦透鏡具有在200和450mm之間的焦距。更精確地，在輸送光纖具有100 μ m的直徑，其BPP在2. 6和4mm. mrad之間的情況下，準(zhǔn)直透鏡的焦距在130和180mm之間，優(yōu)選在140和180mm之間。為了切割厚度嚴(yán)格小于IOmm的材料， 聚焦透鏡的焦距有利地在200和300mm之間，優(yōu)選在220和^Omm之間，然而為了切割厚度為IOmm或更大的材料，聚焦透鏡的焦距有利地在350和450mm之間，優(yōu)選在380和420mm 之間；并且聚焦透鏡具有在200和450mm之間的焦距。另外，本發(fā)明還涉及用于切割金屬部件的激光切割方法，其中使用了根據(jù)本發(fā)明的聚焦頭或激光切割單元。


特別地涉及在光纖激光器切割頭中使用的特定光學(xué)配置的本發(fā)明將通過隨后的詳細(xì)描述和附圖更好的被理解。圖2示出了用于切割頭的典型的光學(xué)系統(tǒng)的基本原理以及穿過光學(xué)系統(tǒng)傳播的激光光束的特性參數(shù)；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的激光切割單元的操作原理以及激光切割工藝；圖4示出了由ZnS構(gòu)成的透鏡系統(tǒng)和熔融硅石(Si)構(gòu)成的透鏡系統(tǒng)在激光輻射期間光束焦點(diǎn)的位置變化之間的比較；以及圖5示出了包括具有2mm的邊緣厚度的準(zhǔn)直透鏡和具有7mm的邊緣厚度的準(zhǔn)直透鏡的由ZnS構(gòu)成的透鏡系統(tǒng)聚焦的光束焦點(diǎn)位置的變化之間的比較。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的切割裝置包括固態(tài)激光源SL，該固態(tài)激光源SL具有少一個(gè)光束輸送光纖FDC和又稱作切割頭的聚焦頭3，用于將激光光束傳輸并聚焦到要切割的部件10其上或其中。下面將解釋并在圖3中示出該單元的特性和操作范圍。
切割頭3通常包括用于光學(xué)準(zhǔn)直、重新導(dǎo)引和聚焦激光光束的光學(xué)器件。另外，激光光束由固態(tài)激光器器件或發(fā)生器發(fā)射，優(yōu)選鐿( )摻雜光纖激光器。 在激光器件中，激射效應(yīng)指的是用于產(chǎn)生激光輻射的光放大現(xiàn)象，憑借優(yōu)選由激光二極管泵浦并由一個(gè)或典型的幾個(gè)摻雜光纖(優(yōu)選地，鐿( )摻雜硅石光纖)組成的放大介質(zhì)獲得激射效應(yīng)。通過激光器件作為輸出發(fā)射的輻射的波長(zhǎng)在1. 06和1. 10 μ m之間并且激光功率在0. 1和25kff之間，典型地在1和5kff之間。激光器可以以連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)或脈沖模式操作，但是當(dāng)其以連續(xù)模式操作時(shí)本發(fā)明更具優(yōu)勢(shì)，對(duì)于切割頭的激光器這是輻射最劇烈的模式。由固態(tài)激光源產(chǎn)生的光束被發(fā)射并且憑借至少一個(gè)用未摻雜硅制造的具有小于 150 μ m(例如等于50或100 μ m)的直徑的光輸送光纖輸送到聚焦頭。通常，通過使用如光纖激光器的高亮度激光源，可以產(chǎn)生具有極佳品質(zhì)因子的高功率光束。通過品質(zhì)因子或光參數(shù)乘積(BPP)測(cè)量激光光束的品質(zhì)等級(jí)。BPP由激光源SL 的特征和輸送光纖FDC的直徑確定。其表示為在聚焦激光束束腰的半徑Wtl乘以其發(fā)散半角θ ^的積，如圖2所示。BPP還定義為發(fā)射激光光束的光學(xué)輸送光纖的半徑WHb乘以光纖輸出的光束的發(fā)散半角的積。因此，對(duì)于50 μ m的光纖，光束的BPP典型的在1.6和 2mm. mrad之間，而對(duì)于100 μ m的光纖BPP典型的在2. 7和4mm. mrad之間。如圖2所示，連續(xù)地，在激光光束傳播方向上，由用于從發(fā)散光束FD獲得準(zhǔn)直光束 FC的至少一個(gè)準(zhǔn)直透鏡LC和用于獲得聚焦光束FF并且用于將激光的能量集中到要切割部分上的至少一個(gè)聚焦透鏡LF構(gòu)成激光切割頭的聚焦系統(tǒng)。選擇準(zhǔn)直和聚焦透鏡的焦距以便獲得具有合適的直徑以便具有切割該部分必須的功率密度的焦點(diǎn)。光束在焦平面中的直徑2\定義為光纖的直徑2Wfib乘以聚焦系統(tǒng)的光學(xué)放大系數(shù) G的積，并且由下式表示
權(quán)利要求
1.一種包括準(zhǔn)直透鏡(1 和聚焦透鏡(14)的激光光束聚焦頭，所述聚焦頭的特征在于準(zhǔn)直透鏡(13)和聚焦透鏡(14)由ZnS構(gòu)成并且具有至少5mm的邊緣厚度，以及偏轉(zhuǎn)鏡(15)，以在40和50°之間的入射角(α)操作，被設(shè)置在所述聚焦頭中的激光光束的路徑中，并在所述準(zhǔn)直透鏡(1 和所述聚焦透鏡(14)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的聚焦頭，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡(1 和所述聚焦透鏡(14)具有在5和IOmm之間，優(yōu)選在6和8mm之間的邊緣厚度。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的聚焦頭，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡(1 和所述聚焦透鏡(14)具有在35和55mm之間的直徑。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的聚焦頭，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)鏡(1 由硅石構(gòu)成。
5.一種激光切割單元，包括固態(tài)激光裝置(SL)，以在1. 06和1. 10 μ m之間的波長(zhǎng)和在0. 1和25kW之間的功率發(fā)射激光光束，根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的聚焦頭，以及輸送光纖(FDC)，將所述固態(tài)激光裝置(SL)連接到所述聚焦頭以便將所述固態(tài)激光裝置(SL)發(fā)射的所述激光光束輸送到所述聚焦頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的單元，其特征在于，所述固態(tài)激光裝置(SL)是所述光纖激光器類型，優(yōu)選鐿摻雜的光纖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的單元，其特征在于，所述固態(tài)激光裝置(SL)以連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)或脈沖模式發(fā)射功率在1和5kW之間的激光光束，優(yōu)選以連續(xù)模式發(fā)射。
8.根據(jù)權(quán)利要求5到7中的任一項(xiàng)的單元，其特征在于，所述輸送光纖(FDC)具有不超過150 μ m的直徑，優(yōu)選具有50 μ m或100 μ m的直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求5到8中的任一項(xiàng)的單元，其特征在于，所述固態(tài)激光裝置(SL)發(fā)射 BPP在1. 6和4mm. mrad之間的激光光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求5到9中的任一項(xiàng)的單元，其特征在于，所述輸送光纖(FDC)具有 50 μ m的直徑和在1. 6和2. 2mm. mrad之間的BPP，并且所述準(zhǔn)直透鏡具有在70和120mm之間的焦距。
11.根據(jù)權(quán)利要求5到9中的任一項(xiàng)的單元，其特征在于，所述輸送光纖(FDC)具有 100 μ m的直徑和在2. 6和4mm. mrad之間的BPP，并且所述準(zhǔn)直透鏡具有在130和180mm之間的焦距。
12.根據(jù)權(quán)利要求5到11中的任一項(xiàng)的單元，其特征在于，所述聚焦透鏡具有在200和 450mm之間的焦距。
13.一種用于切割金屬部件(10)的激光切割方法，其中使用根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任一項(xiàng)的聚焦頭或根據(jù)權(quán)利要求5到12中的任一項(xiàng)的激光切割單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括準(zhǔn)直透鏡(13)和聚焦透鏡(14)的激光光束聚焦頭，其中，準(zhǔn)直透鏡(13)和聚焦透鏡(14)由ZnS構(gòu)成并且具有至少5mm的邊緣厚度。此外，以在40和50°之間的入射角(α)操作的折疊鏡(15)被設(shè)置在所述聚焦頭中的激光光束的路徑中并在所述準(zhǔn)直透鏡(13)和所述聚焦透鏡(14)之間。本發(fā)明還涉及一種激光切割設(shè)備，包括固態(tài)激光(SL)裝置，以在1.06和1.10μm之間的波長(zhǎng)和在0.1和25kW之間的功率發(fā)射激光光束；根據(jù)本發(fā)明的聚焦頭；以及載體光纖(CF)，將所述固態(tài)激光(SL)裝置連接到所述聚焦頭以便承載所述固態(tài)激光(SL)裝置發(fā)射的所述激光光束。
文檔編號(hào)G02B1/02GK102481665SQ201080038783
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者E·弗娜, F·布里安德, G·巴勒里尼, H·馬扎奧伊, I·德貝克爾, T·茹阿諾 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司, 法國(guó)液體空氣焊接公司